MIT-Physiker verwandeln Bleistiftmine in elektronisches „Gold“

Isolieren Sie dünne Flocken, die so eingestellt werden können, dass sie drei wichtige Eigenschaften aufweisen.

MIT Physiker haben metaphorisch Graphit oder Bleistiftmine in Gold verwandelt, indem sie fünf ultradünne Flocken isolierten, die in einer bestimmten Reihenfolge gestapelt waren. Das resultierende Material kann dann so abgestimmt werden, dass es drei wichtige Eigenschaften aufweist, die noch nie zuvor bei natürlichem Graphit beobachtet wurden.

„Es ist so etwas wie ein One-Stop-Shopping“, sagt Long Ju, Assistenzprofessor an der Fakultät für Physik des MIT und Leiter der Arbeit, über die in der Ausgabe vom 5. Oktober berichtet wird Natur-Nanotechnologie. „Die Natur hält viele Überraschungen bereit. In diesem Fall haben wir nie bemerkt, dass all diese interessanten Dinge in Graphit eingebettet sind.“

Darüber hinaus sagt er: „Es ist sehr selten, Materialien zu finden, die so viele Eigenschaften aufweisen können.“

Der Aufstieg der „Twistronics“

Graphit besteht aus GraphenDabei handelt es sich um eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in Sechsecken angeordnet sind und einer Wabenstruktur ähneln. Graphen wiederum steht seit seiner ersten Isolierung vor etwa 20 Jahren im Mittelpunkt intensiver Forschung. Dann entdeckten Forscher, darunter ein Team am MIT, vor etwa fünf Jahren, dass das Stapeln einzelner Graphenschichten und das Verdrehen dieser in einem leichten Winkel zueinander dem Material neue Eigenschaften verleihen kann, von Supraleitung bis hin zu Magnetismus. Der Bereich „Twistronics“ war geboren.

In der aktuellen Arbeit „haben wir interessante Eigenschaften ganz ohne Verdrehung entdeckt“, sagt Ju, der ebenfalls dem Materials Research Laboratory angehört.

Künstlerische Darstellung der Elektronenkorrelation oder der Fähigkeit von Elektronen, miteinander zu kommunizieren, die in einer besonderen Art von Graphit (Bleistiftmine) auftreten kann. Bildnachweis: Sampson Wilcox, MIT Research Laboratory of Electronics

Er und seine Kollegen entdeckten, dass fünf Schichten Graphen, die in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind, es den Elektronen, die sich im Inneren des Materials bewegen, ermöglichen, miteinander zu kommunizieren. Dieses als Elektronenkorrelation bekannte Phänomen „ist die Magie, die all diese neuen Eigenschaften ermöglicht“, sagt Ju.

Massengraphit – und sogar einzelne Graphenschichten – sind gute elektrische Leiter, aber das ist alles. Das von Ju und Kollegen isolierte Material, das sie als rhomboedrisch gestapeltes Pentaschicht-Graphen bezeichnen, ist viel mehr als die Summe seiner Teile.

Ein neuartiges Mikroskop und seine Entdeckungen

Der Schlüssel zur Isolierung des Materials war ein neuartiges Mikroskop, das Ju im Jahr 2021 am MIT gebaut hat und das schnell und relativ kostengünstig eine Vielzahl wichtiger Eigenschaften eines Materials bestimmen kann nanoskalig. Fünfschichtiges rhomboedrisch gestapeltes Graphen ist nur wenige Milliardstel Meter dick.

Wissenschaftler wie Ju suchten nach mehrschichtigem Graphen, das in einer sehr präzisen Reihenfolge gestapelt war, die als rhomboedrische Stapelung bezeichnet wird. Ju sagt: „Wenn man auf fünf Schichten umsteigt, gibt es mehr als zehn mögliche Stapelreihenfolgen.“ Rhomboedrisch ist nur eines davon.“ Das von Ju gebaute Mikroskop, bekannt als Scattering-type Scanning Nearfield Optical Microscopy (s-SNOM), ermöglichte es den Wissenschaftlern, nur die Pentaschichten in der rhomboedrischen Stapelreihenfolge zu identifizieren und zu isolieren, an der sie interessiert waren.

Vielfältige Materialphänomene

Von dort aus befestigte das Team Elektroden an einem winzigen Sandwich aus Bornitrid-„Brot“, das das empfindliche „Fleisch“ aus rhomboedrisch gestapeltem Pentaschicht-Graphen schützt. Die Elektroden ermöglichten es ihnen, das System mit unterschiedlichen Spannungen oder Strommengen abzustimmen. Das Ergebnis: Sie entdeckten die Entstehung von drei verschiedenen Phänomenen, abhängig von der Anzahl der das System durchflutenden Elektronen.

MIT-Postdoktorand Zhengguang Lu, Assistenzprofessor Long Ju und Doktorand Tonghang Han im Labor. Die drei sind zusammen mit sieben anderen Autoren eines Artikels in Nature Nanotechnology über eine besondere Art von Graphit (Bleistiftmine). Bildnachweis: Ju Lab

„Wir fanden heraus, dass das Material isolierend, magnetisch oder topologisch sein könnte“, sagt Ju. Letzteres hängt in gewisser Weise sowohl mit Leitern als auch mit Isolatoren zusammen. Im Wesentlichen, erklärt Ju, ermöglicht ein topologisches Material die ungehinderte Bewegung von Elektronen an den Rändern eines Materials, jedoch nicht durch die Mitte. Die Elektronen bewegen sich in einer Richtung entlang einer „Autobahn“ am Rand des Materials, getrennt durch einen Mittelstreifen, der die Mitte des Materials bildet. Der Rand eines topologischen Materials ist also ein perfekter Leiter, während die Mitte ein Isolator ist.

„Unsere Arbeit etabliert rhomboedrisch gestapeltes mehrschichtiges Graphen als eine hochgradig anpassbare Plattform zur Untersuchung dieser neuen Möglichkeiten stark korrelierter und topologischer Physik“, schließen Ju und seine Co-Autoren Natur-Nanotechnologie.

Referenz: „Corlated insulator and Chern insulators in pentalayer rhombohedral-stacked graphene“ von Tonghang Han, Zhengguang Lu, Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang, Tianyi Han, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hongkun Park und Long Ju, 5. Oktober 2023, Natur-Nanotechnologie.
DOI: 10.1038/s41565-023-01520-1

Autoren des Papiers sind neben Ju auch Tonghang Han und Zhengguang Lu. Han ist Doktorand am Fachbereich Physik; Lu ist Postdoktorand im Materialforschungslabor. Die beiden sind Co-Erstautoren des Artikels.

Weitere Autoren sind Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang und Hongkun Park von der Harvard University; Kenji Watanabe und Takashi Taniguchi vom National Institute for Materials Science in Japan und Tianyi Han vom MIT Physics.

Diese Arbeit wurde durch ein Sloan Fellowship unterstützt; die US National Science Foundation; das US-Büro des Unterstaatssekretärs für Forschung und Technik; die Japanische Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaft KAKENHI; die World Premier International Research Initiative of Japan; und das Büro für wissenschaftliche Forschung der US-Luftwaffe.